차세대 전기차 배터리..반고체 전고체 차이점은

전기차는 내연기관 대비 확실히 이상적인 요소들이 존재한다. 저렴한 유지비용, 내연기관 대비 높은 출력과 토크, 아울러 배기가스가 일절 없는 친환경차라는 점이다. 이런 장점이 뚜렷 하지만 피할 수 없는 단점도 여럿 존재한다.

현재 기술로 가장 큰 단점은 내연기관 대비 짧은 주행거리와 긴 충전속도, 그리고 배터리 화재 문제다. 이는 배터리 기술 발전으로만 해결이 가능한 요소인 만큼 자동차 업체보다는 배터리 전문업체의 기술 개발 행보를 주목하고 있다.

최근 차세대 핵심 기술로 언급되는 배터리로 두 가지가 있다. 바로 반고체 배터리, 전고체 배터리다. 미래 전기차 시장을 선도할 배터리 기술을 살펴봤다.

모든 배터리는 기본 구성은 엇비슷하다. 배터리는 전자와 이온이 전해질을 통해 양극, 음극을 오가며 전기 에너지를 받아들이거나 방출한다. 이를 충전과 방전이라 칭한다.

이러한 원리를 이용해 배터리를 개발하는데 그 중 양극재와 음극재, 양극과 음극의 물리적 접촉을 방지하는 분리막, 전해질이 중요한 역할을 한다. 현재 양산하는 배터리는 외부 온도 변화에 민감해 극한의 추운 온도에서는 성능이 떨어지고 물리적인 안정성과 에너지 밀도가 낮아진다.

이런 문제의 근원은 전해질이 액체 성분이라서다. 액체 전해질은 외부 온도가 낮아지면 얼음처럼 굳어 양극과 음극을 오가는 전자와 이온의 움직임이 둔해지게 된다. 또 온도가 급상승할 경우 배터리 팽창, 외부 충격으로 인한 폭발의 위험성도 존재한다.

액체는 고체보다 동일한 부피일 때 에너지 밀도가 낮다. 현재 기술로 배터리 에너지 밀도를 높이려면 부피를 키우는 수밖에 없다.

전고체 배터리는 앞서 설명한 액체 전해질 기반의 배터리의 문제점을 해결하는게 핵심이다. 고체는 동일 부피당 밀도가 높아 에너지 밀도 향상에서 유리하다. 아울러 부품 수도 적다. 액체 전해질 배터리의 물리적 접촉을 막아주는 분리막과 안전장치가 필요 없어서다.

에너지 밀도 향상은 배터리 부피 축소에도 효과적이다. 전기차에 동일한 배터리 용량을 탑재한다고 가정했을 경우 전고체는 더 많은 용량을 탑재할 수 있어 액체 전해질 배터리보다 주행거리를 대폭 향상시킬 수 있다. 또 온도변화의 영향을 적게 받는 고체의 특성으로 성능 저하 폭도 적다.

이런 장점이 확실하지만 전고체 배터리 상용화는 쉽지 않다. 고체 전해질은 액체에 비해 배터리의 기본적인 원리 중 하나인 전자와 이온의 이동성인 이온 전도도가 낮다는 문제가 존재한다. 액체 전해질 대비 낮은 양극재와 고체 전해질의 밀착성이다. 고체 전해질은 액체에 비해 전자와 이온이 이동할 때 내부 저항이 증가한다. 이러한 문제로 전고체 배터리 상용화는 난제가 여럿이다.

전고체 대안으로 등장한 기술이 바로 반고체 배터리이다. 반고체 배터리 개발업체들은 "고체 전해질이 아닌 젤 형태의 반고체 전해질을 사용해 안전하면서도 전고체 배터리처럼 기존 액체 기반의 배터리 대비 높은 에너지 밀도를 확보할 수 있다"고 주장한다.

또 충방전 내구 성능도 뛰어나 기존 리튬이온 배터리 수명보다 2배나 늘어난다. 전고체 배터리가 가진 장점을 반고체 배터리로 대부분 대체할 수 있어 상용화가 가능한 현실적인 대안이 될 수 있다.

세계 1위 배터리 업체인 중국 CATL은 지난해 4월 기존 배터리 대비 2배에 가까운 성능을 자랑하는 kg당 500Wh 에너지 밀도의 반고체 배터리를 개발했다고 공식 발표한 바 있다.

또 다른 중국 배터리 업체인 위라이언 역시 전기차 브랜드 니오와 공동 개발한 반고체 배터리 팩을 출시했다. 니오 플래그십 세단 ET7에 탑재해 테스트한 결과 1회 완전 충전으로 무려 1044km를 주행했다

이처럼 중국 배터리 업체들은 당장 상용화가 가능한 반고체 배터리 개발에 주력하고 있다. 상대적으로 국내 배터리 업체들은 반고체 배터리를 건너뛰어 전고체 배터리에 집중하는 양상이다. 이런 이유는 반고체 배터리 시장성이 크지 않다는 이유에서다. 제조 원가가 기존 리튬이온 삼원계 배터리보다 비싸 수요처가 제한적일 것으로 예상된다.

반고체 기술은 현재 액체 전해질 배터리 기술을 개선하는 수준일 뿐 시장의 판도를 바꿀 만한 혁신은 아니라는 것이다. 또 완전한 고체 형태의 전해질이 아니라 저온 충방전에 대한 안정성 검증도 필요해 보인다.

이재웅 에디터 jw.lee@carguy.kr